Modellgestützte Entwicklung von Kleinfeuerungen für feste Biobrennstoffe

Abstract

Feuerungsanlagen für feste Biomassebrennstoffe werden bisher durch die Erfahrung von Konstruktionsingenieuren entwickelt. Etablierte Entwicklungswerkzeuge wie die numerische Strömungssimulation (CFD, engl.: computational fluid dynamics) kommen bei der Konstruktion in den meisten Fällen nicht zum Einsatz. Dabei haben sich die implementierten Modelle in der CFD Simulation als geeignet herausgestellt. Allerdings war bisher eine detaillierte Parametrisierung, in Verbindung mit Messwerten an Prototypen, die Grundvoraussetzung für die CFD Simulation. Damit war der bisherige Einsatz der CFD Simulation nur am Ende des Entwicklungsprozesses wirkungsvoll. Um den Entwicklern die richtigen Antworten bei der Konstruktion der Biomassefeuerung zu geben, muss die Simulation am Anfang des Entwicklungsprozesses eingesetzt werden. Eine in dieser Arbeit entwickelte und angewendete Methode ermöglicht den Einsatz der CFD Simulation schon am Anfang des Entwicklungsprozesses, d. h. parallel zu der Konzeptionsphase einer Biomassefeuerung. Die Methode ermöglicht eine verlässliche Vorhersage des Emissionsverhaltens und des Betriebsbereichs von Biomassefeuerungen. Somit können bei der Konstruktion neuer Biomassefeuerungen die Vorteile der CFD Simulation bereits in der Konzeptionsphase und ohne die Anfertigung von Prototypen genutzt werden. Mit der in dieser Arbeit entwickelten Methode zur Kalibrierung der Ergebnisse aus der Simulation konnte die Auswahl der optimalen Konzeptvariante am Beispiel eines chargenweise betriebenen Stückholzkessels erfolgen. Die nachträgliche messtechnische Überprüfung von zwei unterschiedlichen Prototypen eines Stückholzkessels auf dem Prüfstand zeigte eine sehr gute Übereinstimmung der gemessenen Kohlenmonoxidkonzentrationen mit den kalibrierten Ergebnissen aus der CFD Simulation.